波形钢腹板组合工字梁的振动特性

为分析波形钢腹板组合工字梁的弯曲振动频率及其动力反应特性,综合考虑剪切变形、转动惯量、剪滞翘曲应力自平衡和腹板褶皱效应等多重因素的影响,对组合工字梁上、下翼板设立2个不同的纵向翘曲动位移差函数,基于能量变分法和Hamilton原理建立该类结构的弹性控制微分方程和自然边界条件,获得相应广义位移的闭合解,结合数值算例计算了不同边界条件下组合工字梁的固有频率,详细分析了剪力滞效应和翘曲应力自平衡对组合工字梁振动特性的影响。研究结果表明：该闭合解计算结果与ANSYS有限元值吻合良好,且计算精度明显提高;剪力滞效应降低了组合工字梁的竖向刚度,其影响随频率阶数的升高而增大,随跨宽比的增大而减小;与简支组合梁相比,两端固支组合梁的频率值受剪力滞效应的影响更大;翘曲应力自平衡对组合工字梁自振频率的贡献值小于5%,对翼板动应力幅值的影响可达10%以上;在进行该类结构动力特性分析时平截面假定不再适用。     

波形钢腹板梁变形计算的有效刚度法

为研究波形钢腹板剪切变形对波形钢腹板梁受力行为的影响,引入腹板剪切变形转角函数,将波形钢腹板梁的弯曲行为分解为桁架作用和弯曲作用,建立一个能够考虑波形钢腹板剪切变形的波形钢腹板梁理论模型,推导了简支和悬臂波形钢腹板梁在不同类型荷载作用下的变形解析解,采用有限元方法验证了理论模型和解析解的正确性和适用性。根据变形等效原理,引入重要影响参数对波形钢腹板梁的变形解析解进行简化,提出了考虑腹板剪切行为的波形钢腹板梁变形简化计算方法——有效刚度法。用该文提出的有效刚度法计算波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的变形值和试验结果吻合良好,为波形钢腹板梁在正常使用极限状态下的挠度计算提供一种准确性较高的简化计算方法。     

单桩基础海上风机横向自振频率求解及参数敏感性分析EI北大核心CSCD

梁理论的合理选择对风机横向自振频率的求解意义重大。以往提出的海上风机自振频率计算方法都基于某一种梁理论,且缺乏各参数的敏感性分析。为了对比不同梁理论对风机自振频率求解的影响,采用回传射线矩阵法,分别基于Bernoulli-Euler梁、经典Timoshenko梁和修正Timoshenko梁理论,提出海上风机横向自振频率计算方法,通过实测数据验证了该方法的准确性,并综合对比各参数的敏感性。研究结果表明:Bernoulli-Euler梁理论未考虑剪切变形与转动惯量,自振频率计算结果略大于Timoshenko梁理论;剪切变形引起的转动惯量可以忽略不计,修正Timoshenko梁理论与经典Timoshenko梁理论计算结果一致,但物理意义更加清晰;基频对塔筒结构参数的敏感性最高,其次是连接段与桩基;基频对塔筒高度的敏感性最高,对海床高度与叶轮机舱组件质量的敏感性较高,壁厚变化对基频的影响不显著。     

钢-混凝土预制混合梁变形性能研究

基于两端固定边界条件下预制混合梁的静力受弯试验,研究了此类预制构件在跨中集中荷载作用下的变形性能。采用奇异函数法建立了预制混合梁的挠曲线计算公式,分析了钢梁与混凝土梁抗弯刚度比、长跨比以及高跨比对变形性能的影响。结果表明:各试件考虑剪切变形影响的挠度计算值与试验值吻合较好,与预制混凝土梁相比,剪切变形对预制混合梁变形性能影响更为显著;由剪切变形引起的附加挠度与总挠度比值随长跨比增加呈线性增长趋势,相同长跨比下其比值随高跨比的增加而增大;建议预制混合梁在高跨比大于1/12时考虑剪切变形的影响。     

变截面压电层合梁自由振动分析

考虑压电材料的质量效应和刚度效应,将表面粘贴或埋入式压电悬臂梁看作变截面梁,研究压电材料对智能结构固有特性的影响。基于一阶剪切变形理论导出压电层合梁的抗弯刚度和横向剪切刚度,计及梁的剪切变形和转动惯量,采用Timoshenko理论推导变截面压电层合梁的频率方程。给出了T300/970压电层合梁和硬铝压电层合梁的前3阶固有频率,并和有限元结果、等截面梁的计算结果进行比较。计算表明,压电材料对压电结构固有频率和固有振型的影响显著,在以振动控制为目标的压电结构动力学建模过程中,有必要考虑压电材料的质量和刚度。     

基于Winkler地基Timoshenko梁理论的十字交叉条形基础节点荷载分配分析

考虑十字交叉条形基础截面剪切变形影响,利用Winkler地基Timoshenko梁无限长梁在集中力、集中力偶作用下的变形和内力关系,推导了带悬挑的半无限长梁的集中力、集中力偶作用下的悬挑系数计算公式。当条形基础抗剪刚度趋于无穷大时可退化成不考虑剪切变形影响的Euler梁理论结果,因此该文公式是一种通用公式。剪切变形对集中力的悬挑系数影响大、对集中力偶的悬挑系数影响小。对于节点较密、截面尺寸较大、对变形敏感的十字交叉条形基础,应该考虑截面的剪切变形影响。根据静力平衡条件和变形协调条件,建立了可同时考虑截面剪切变形和节点集中力、集中力偶作用的带悬挑十字交叉条形基础的节点荷载分配的统一公式。算例结果显示:虽然节点处作用的集中力偶较小,但其可以改变竖向荷载在节点x、y两方向上的分配,力偶数值越大,影响越明显。考虑条形基础截面剪切变形影响后,计算的节点荷载分配更均匀。     

考虑剪切效应的环肋圆柱壳的稳定性

基于Reissner-Naghdi壳体理论和Timoshenko环梁理论,采用Ritz法对环肋圆柱壳的稳定性进行了研究。在简支边界条件下考虑了壳体和环肋的剪切变形效应对临界载荷的影响。由于环肋会约束壳体的变形,壳体的前屈曲状态应该是有弯曲变形的,环向压缩力也是非均匀分布的,分析了这一因素的影响。算例的计算结果与文献中给出的实验值吻合较好,并表明壳体的剪切效应在一些情形下会对环肋圆柱壳的稳定性产生一定的影响。     

考虑剪切变形的箱型空心楼盖拟板法研究

根据Timoshenko梁剪切理论和模型试验数值模拟,分析了剪切变形对空心楼盖箱型构件挠度的影响;依据弹性薄板理论,对比了不同边界条件下多种拟板方法的思路和计算精度;提出了等效实心平板剪切模量的取用方法和实用的考虑剪切变形挠度的修正手段。分析结果表明:剪切变形对空心楼盖的影响远大于实心楼盖;规程拟板法优于其他拟板方法,但其挠度计算值与空心楼盖实际值存在误差;现有基于抗弯刚度相等的拟板方法不能正确反映空心楼盖的剪切变形大小。该文基于“剪切刚度相等”提出的剪切模量取用方法和挠度修正方法能同时适用于构造各向同性和构造各项异性空心楼盖,计算效果均优于其它拟板法。该文成果可供分析和设计时参考。     

基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计

提出了一种基于拓扑优化的直升机旋翼桨叶剖面设计方法。采用了有限元方法计算直升机旋翼桨叶剖面刚度特性, 截面考虑了剪切和翘曲变形, 并消除了翘曲位移和刚体位移之间的耦合作用。基于SIMP拓扑优化算法, 以旋翼桨叶平均柔度或者剖面刚度为设计目标, 桨叶重量为约束函数, 建立了旋翼桨叶拓扑优化模型。提出的敏度求解算法具有较高的计算精度, 采用序列线性规划算法对旋翼桨叶剖面进行优化设计。结果表明在展长较小并且承受均布升力载荷情况下, Ⅱ型截面梁的柔度最小, 而当展长增大时, 工字梁截面具有最小的柔度。此外, 旋翼桨叶外载荷等对优化结果也有较大的影响。提出的拓扑优化方法适合于概念设计阶段的直升机旋翼桨叶剖面设计。     

基于能量法的变截面层合管整体稳定承载力计算方法

为计算变截面层合管杆件整体稳定承载力,提出一种基于能量法的理论计算模型。采用基于三维梁理论的层合管等效抗弯刚度计算方法,计算了等截面段、变截面段的等效工程弹性系数。在考虑剪切变形的影响以及杆件变截面对轴压挠曲线函数影响的基础上,基于能量法推导了变截面杆整体稳定承载力解析公式。以NASA复合材料变截面杆为算例,进行了理论计算和有限元数值模拟,结果显示:同时考虑上述两因素的理论计算结果与有限元结果最为接近,剪切变形对临界承载力的修正可达10%以上,轴压挠曲线函数的变化对承载力的修正约为1%,可忽略。以锥长和锥角为参数,对变截面杆的承载力、体积和承载效率进行双参数分析,发现变截面对弯曲变形能的影响远大于对剪切变形性能的影响,采用变截面形式能够提高层合管承载效率,且一定锥长下存在承载效率最高对应的最优锥角。     

波形钢腹板组合槽型梁剪切挠度计算方法与试验研究

为了提出适用于波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度的计算方法,分析了荷载作用下组合梁的受力特点和截面上的剪应力分布规律,推导了剪应变的几何方程,提出了支反力-荷载分段函数的计算模式,通过对几何方程进行积分,建立了波形钢腹板组合槽型梁的剪切挠度计算公式。该公式能够计算多个集中荷载和均布荷载同时作用下的剪切挠度,并适用于波形钢腹板组合梁的其它截面形式。通过4片波形钢腹板组合槽型梁和1片波形钢腹板组合工形梁的静载试验和有限元分析,验证了剪切挠度计算公式的准确性。试验研究表明:对于5片缩尺试验梁,不考虑剪切变形的影响,挠度值偏小约20%,而采用该文考虑剪切变形影响的挠度公式计算的理论值与实测值吻合良好。     

考虑剪力墙剪切变形影响的框架-剪力墙结构分析

考虑剪力墙剪切变形影响、连梁固接连接条件,基于Timoshenko两广义位移梁理论,建立了框架-剪力墙结构分析方法。当连梁约束抗弯刚度为0时固接体系可退化成铰接体系、当剪力墙抗剪刚度趋于无穷大时弯剪型剪力墙可退化为不考虑剪切变形的弯曲型剪力墙,因此该文方法可适应多种模型的计算。导出了三角形分布荷载、均布荷载和顶部集中荷载作用下挠度、转角、剪力墙弯矩和剪力、框架剪力的计算公式。计算公式表明:“框架广义剪力按框架抗推刚度和连梁约束抗弯刚度比分配”的结论在考虑剪力墙剪切变形影响的框架-剪力墙固接体系中不成立。通过算例讨论了框架-剪力墙的变形和内力分布,得到了连梁约束抗弯刚度显著影响框架-剪力墙的变形和内力分布、框架-剪力墙对剪力墙的抗剪刚度有敏感范围等结论。     

基于势能原理的双轴对称工字梁弹性侧向屈曲研究

该文利用能量方法对考虑腹板畸变的工字梁侧向畸变屈曲、约束畸变屈曲问题进行了初步研究。由于现有的侧向畸变屈曲势能表达式均不能考虑横向分布荷载作用情况,该文首先推导了双轴对称工字梁侧向屈曲总势能一般表达式。该表达式在不考虑腹板畸变时,与经典侧扭屈曲势能表达式等价;在考虑腹板畸变时,可适用于端弯矩、横向集中力及横向分布荷载作用情况。根据所提出的势能表达式并通过合理简化,推导出多跨连续组合梁负弯矩区约束畸变屈曲计算表达式,相应的简化条件及公式均与有限元分析结果进行了比较,验证了合理性。研究成果具有理论和实际意义,为后续侧向畸变屈曲实用设计方法研究提供基础。     

空间薄壁截面梁非线性有限单元模型

基于Timoshenko梁理论和Vlasov薄壁杆件理论,通过设置单元内部节点并对弯曲转角和翘曲角采取独立插值的方法,建立了可考虑横向剪切变形和扭转剪切变形及其耦合作用、弯扭耦合、以及二次剪应力影响的空间薄壁梁非线性有限元模型。以更新的拉格朗日格式描述的几何非线性应变推得几何刚度矩阵。同时考虑了材料非线性,假定材料为理想塑性体,服从Von Mises屈服准则和Prandtle-Reuss增量关系,采用有限分割法,由数值积分得到空间薄壁梁的弹塑性刚度矩阵。算例表明该文所建梁单元模型具有良好的精度,适用于空间薄壁结构的有限元分析。     

双参数层状地基中大直径单桩水平振动解析解与分析

基于 Pasternak 地基和桩体 Timoshenko 梁理论,考虑了轴向作用二阶效应,建立了大直径桩?成层土相互作用体系水平振动分析简化模型,采用微分变换方法和双剪切理论,结合桩土连续边界条件,进而推导出桩身位移、内力、转角解析解,并与已有相关解析解进行退化对比验证。在此基础上,探讨了桩身长径比、地基剪切系数、桩土模量比、桩身剪切变形系数及轴向荷载对桩基水平振动特性的影响规律。计算分析结果表明推导所得对应解析解,能综合考虑轴向压力二阶效应、桩周土和桩身剪切变形的影响,可为大直径桩基工程相关水平向振动分析和设计提供参考。     

弹性地基上复合材料层合梁的自由振动

本文在文[1]建立的层合梁理论的基础上,得到了弹性地基上层合梁的动力控制方程,并将此控制方程简化,获得了不考虑剪切变形时的弹性地基上层合梁经典理论的动力控制方程.利用这二种不同的控制方程,文中获得了层合梁自由振动问题的相应的精确解.由这二种不同的结果,讨论了剪切变形对层合梁固有频率的影响.      

关于考虑剪切变形的影响计算梁挠度方法的综述

目前，有关考虑剪切变形影响计算梁挠度的方法主要分为解析法和数值法。本文首先对这两种方法作一简单综述，然后在总前人研究成果的基础上，提出了一种设置剪切位移函数以计算剪切变形的新方法。     

具任意脱层复合材料梁的模态分析

本文对具任意脱层的复合材料梁进行了模态分析。基于弹性理论建立了考虑剪切变形时复合材料脱层梁的基本方程式。对脱层梁进行了分区处理，方便地描述了脱层长度，脱层位置。利用边界条件，区间位移连续性条件和内力平衡条件建立了梁模态分析的特征方程式。通过实例计算，得出了不同脱层位置和不同脱层长度对脱层梁模态分析的影响。     

考虑剪切变形影响的斜梁桥自振频率的解析方法

斜梁桥振动频率没有显式解,给使用《公路桥涵设计通用规范》方法计算冲击系数带来不便。考虑斜梁桥振动时的弯扭耦合效应,分别采用修正的Timoshenko梁理论建立其弯曲振动的动态刚度矩阵,采用Saint-Venant扭转理论建立其自由扭转振动的动态刚度矩阵,结合斜支承边界条件,导出斜支承坐标系下的动态刚度矩阵,提取弯矩-转角的刚度方程,根据其奇异条件建立关于斜梁桥自振频率的超越方程,采用二分法对超越方程进行求解以得到自振频率。该文分析了一座标准A型单跨斜箱梁桥考虑与不考虑剪切变形影响时的前5阶振动频率随斜交角的变化,比较了正交简支初等梁和正交简支深梁、斜支初等梁和斜支深梁的前5阶频率。结果显示:斜梁桥基频随斜交角的增大而增大、第2阶频率随斜交角的增大而减小;斜梁桥振动频率的计算应采用考虑剪切变形影响的深梁理论。     

基于Timoshenko梁理论的钢-混组合梁动力刚度矩阵法

基于Timoshenko梁理论提出了适用于分析钢-混组合梁自振特性的动力刚度矩阵法,该计算模型中考虑了钢-混结合面剪切滑移、剪切变形和转动惯量的综合影响。动力刚度矩阵推导过程中未引入近似位移场或力场,因此,计算结果是准确的。与其他Timoshenko梁模型最大的不同是假设混凝土子梁和钢梁分别具有独立的剪切角,这个假设更加符合组合梁的实际运动,因此,计算结果更加准确。与已发表文章中的试验梁频率计算结果作对比分析;并讨论了不同剪力键刚度、跨高比时,剪切变形和转动惯量对钢-混组合梁自振频率的影响。结果表明:相对于已有的Euler-Bernoulli组合梁、子梁转角相同假设的Timoshenko组合梁模型,文中计算方法具有更高的计算精度,尤其是对于高阶频率;频率越高、剪力键刚度越大或跨高比越小,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差越大;对于1阶、2阶和3阶频率,高跨比分别大于10、18和25后,Euler-Bernoulli组合梁模型计算结果误差小于5%。